中国是海洋大国，海岸线漫长，沿海经济发达，附近大陆和岛屿的海疆辽阔，蕴藏着丰富的资源；海上交通运输、渔业养殖、油气开采、科学研究、旅游和军事等活动日益频繁。然而，中国沿海地区以及濒临海疆的气候条件和环境繁芜，景象多变，常常发生海洋气候磨难，如大风、暴雨、大雾和海上强对流景象等。海上尤其是外海气候资料的缺少，是造成对这些高影响景象生消演化科学认识不敷及难以准确预报的紧张缘故原由之一。
以在卫星云图上极其壮不雅观的台风尚象为例，每年夏季来临的台风带来了降水和清凉，但台风又是极具毁坏力的景象系统，其伴随的强风和暴雨常常造成严重的职员和财产丢失。目前，对海上台风（飓风）天生的基本条件及演化规律已有一些认识，静止气候卫星能够监测和跟踪环球全部台风和热带气旋。但是，对热带气旋的天生、增强与变向运动的预报水平还很低，对其伴随的大风与强降水预报的不愿定性很高。其紧张缘故原由之一是现阶段非常缺少热带风暴、气旋和台风内外（尤其是内部）动力和热动力三维构造的详细直接不雅观测资料；热带气旋（TCs）和台风强风浪条件下的海-气交流量的丈量十分困难，须要开拓前辈的不雅观测技能。
除了热带气旋和台风外，其他一些海洋磨难性景象（如海上大风、大雾和海上强对流景象等）的原位不雅观测资料也很缺少。中国对厄尔尼诺（El Nino）、西太平洋暖池、赤道辐合带以及印度洋和南海季风等重大海洋和大气征象的第一手监测资料严重不敷。这种状况不仅限定了海洋-大气相互浸染、台风天生与发展机理以及景象变革等研究的深入开展，而且极大地阻碍了海洋气候和水文环境预报能力的提高。要尽快改变这种状况，急需加强海上气候水文不雅观测装备的支配与组网，发展海洋大气不雅观测的新方法和新技能。为此，本文对国内外现有海洋气候不雅观测技能进行综述回顾和展望。
海洋气候不雅观测技能现状
为了增加对海上景象系统，尤其是磨难性景象系统天生与演化规律的科学认识，提高海上和沿海地区气候预报的准确率以及防灾减灾的能力，须要多种不雅观测平台和多种不雅观测技能供应海上气候要素信息。这些平台和技能包括卫星遥感、岛屿地面气候站与气候探空站网、油气平台和船舶自动气候站、海上锚定浮标、漂流浮标、有人驾驶飞机下投探空、岸基多普勒景象雷达等。
卫星遥感
由中国、美国、欧洲和日本等发射的多颗地球静止和极轨气候卫星，已形成了覆盖环球的气候遥感星座。静止卫星紧张供应空间分辨率约 1 km和韶光间隔约 5~30min的可见光、红外和水汽通道云图；极轨卫星供应更高空间分辨率的云图及其他遥感产品，如海表温度（SST）、气溶胶光学厚度（AOD）等，进行大气温度和水汽廓线的红外与微波遥感。海洋卫星上的一些传感器（如散射计、合成孔径雷达、高度计和微波辐射计）已成为海上风场监测的主要技能手段，获取的资料在海上强景象的监测与数值模式中得到了运用。过去20年来发射的各种地球不雅观测研究卫星（如 EOS/A-Train系列卫星和环球降水任务卫星 GPM等），供应了大量更高空间分辨率的气候产品数据。这些气候、海洋和地球不雅观测卫星都有专门网站先容，其产品数据大都可以共享下载，多国不定期公布其气候卫星发展方案，如天下气候组织（WMO）关于空间项目的专门网页：http://www.wmo.int/pages/prog/sat/index_en.php。
岛屿和油气平台站
固定的岛屿和油气平台站的气候不雅观测项目、仪器设置和规范与陆地站的并无差别，紧张供应温度、气压、湿度、降水、风速和风向等资料；有些同时配备海洋水文不雅观测设备，丈量海温、海盐、海浪和海流等参数。一些近岸的无人岛礁上也开始安装自动气候站，通过卫星通讯实时传回其不雅观测资料，对气候部门提高海上气候预报准确率和海事部门成功开展海上救助等事情起到了促进浸染。
但是，这些岛礁和油气平台站点与陆地台站比较，更加受限于地理位置，不雅观测设备架设的面积更加有限。海上岛屿和油气平台站较少，不能像陆地上一样形成有效覆盖很大区域的台站网。除了海南和台湾省的几个大岛上有气候探空站，中国在远海海岛上的气候站极少，在环球几大洋上没有长期运行的海岛气候探空站。
船舶不雅观测
船舶不雅观测紧张由志愿不雅观测商船（VOS）进行，每 3小时不雅观测一次，不雅观测的气候要素有：风向、风速、最大风速、气压、3小时变压、温度、露点温度、能见度、总云量等。在中国周边海疆航行的 VOS约有 30艘，而在地中海上有上百艘，多条南北和东西向的固定航线形成了很好的时空覆盖。自动船载高空气候操持（automated shipboard aerological programme，ASAP）在志愿船上开释气候探空仪，获取大气廓线资料，但其数量很少。
由于船舶位置和数据变革较大，船舶气候报告的连续性较差。在非常恶劣的海况下，VOS 只能停航或改变航线，以是不能供应恶劣景象时的气候信息。此外，VOS上安装的气候不雅观测设备来自不同部门和厂家，其不雅观测规范、元数据编解码和资料传输分发等须要折衷管理，由天下气候组织（WMO）和政府间海洋委员会（IOC）的海洋学和海洋气候学联合技能委员会（JCOMM）的船舶不雅观测组（ship observation team，SOT）卖力（https://www.jcomm.info/）。
国内外不同部门或研究机构每年都组织利用科学稽核船开展海上综合科学稽核，一些科考船上装备了自动气候站和无线电探空设备，以获取航线上的气候资料。但科考船的不雅观测用度高，获取的资料在时空覆盖上十分有限。环球海洋船舶水文调查项目（global ocean ship-based hydrographic investigations program，GO-SHIP）以其不雅观测网络作为参考线（reference lines），在比较固定的大洋航线上监测海表和次表层海洋参数以及海洋中碳、营养盐类、溶解氧和瞬态示踪剂等海洋康健状态参数，但其海洋参数资料对气候研究与业务的贡献还有待提高。
锚定和漂流浮标站
为了提高海上尤其是远海不雅观测的时空覆盖度，各海洋大首都在海上支配锚定浮标，进行气候和水文不雅观测。浮标站抗恶劣风浪能力强，能按规定哀求长期连续地为海洋气候预报和海上交通安全保障等供应海洋气候不雅观测资料。美国国家海洋和大气管理局（NOAA）下设的国家浮标数据中央（National Data Buoy Center，NDBC），专门卖力布设和管理海上浮标以网络实时和长期的海上气候不雅观测数据。NDBC在太平洋沿岸附近海疆、美国东海岸附近海疆和太平洋中部，共布设了约1200 个浮标和锚标（http://www.ndbc.noaa.gov/obs.shtml），在太平洋赤道地区和阿拉斯加湾海疆相对密集。在中国周边（0～60° N，105～130° E）海上的浮标站每小时发布一次气候不雅观测数据，紧张布设在韩国附近海疆和日本南部附近海疆。
每年，多国多机构都会在海上投放一些漂流浮标，丈量的气候和海洋参数有很大的差距，从单一参数（如气压或 SST）到多参数（常日包括气压、气温、SST和波浪等）。海上1400 多个漂流浮标的不雅观测资料也由 NDBC卖力网络、分发和管理。
“海洋站点（Ocean SITES）” （https://dods.ndbc.noaa.gov/oceansites/）是一个多学科研究参考站网（包括海-气通量、物理、生物地球化学和生态不雅观测），在远海支配不雅观测从海面一贯到海底十多个大气和海洋变量，实时和长期获取的资料作为其他站网不雅观测和遥感产品的参考标准。
深潜至水下1000~2000 m的 Argo阵列不仅在监测各大洋海平面上升、海洋热容量和气候变革研究等方面发挥了巨大浸染，还供应次表层的温盐流廓线资料，有效地做事于中深层大洋环流监测和仿照、ENSO监测和预报、月际尺度景象预测。但其较长的下潜和上浮周期，使其所获资料在海洋景象做事方面的浸染受到限定。
多种雷达
许多大岛屿和海岸带地区架设了多普勒景象雷达（以 S波段为主），一些科考船和大型船舶上也安装了 C或 X波段的景象雷达，用于监测海上的台风、雷暴、定量降水估计和风场反演。岛基和岸基风廓线雷达能够供应雷达上方风速和风向的垂直分布，为景象剖析和预报供应动力学信息。环球岸基和船基高频（HF）地波雷达站网，不仅实时丈量供应海流信息，还能同时供应海面风场和海浪的资料。
飞机平台
飞机是空想的机动大气不雅观测平台。机载原位不雅观测气候传感器供应翱翔路线上的多种要素资料，穿云时还能供应云和降水内部的微物理参数资料。飞机上安装下投气候探空装置，能够履行从翱翔高度至海面的气候要素廓线探测。例如，为了实时获取台风（飓风）内部的温度和风场分布信息，提高台风路径和强度的预报准确度，美国 NOAA 的飓风研究部（HRD）与一些飓风研究机构（如佛罗里达的国际飓风研究中央IHRC、NOAA的翱翔运行中央AOC、国家飓风中央 NHC等）持续多年开展飓风下投探空作业，得到的探空廓线已达1万4千多条。
有时飞机在海上还下投漂流浮标或机载抛弃式温度剖面仪（AXBT）。为了同时研究飓风内大气边界层和上层海洋稠浊层构造，1984 年美国空军的 C-130 飞机首次在飓风Josephine预测路径的前方下投了 3只漂流浮标，浮标上装备了气候和海洋传感器。浮标支配10小时后，NOAA的 WP-3D飞机在 700 hPa高度穿越飓风进行边界层探测试验，飞机上搭载了包括多普勒景象雷达、多频段微波辐射计、下投海流剖面仪和测波浪方向的侧视雷达等多种设备。不雅观测显示，飓风 Josephine 下方海洋有一些中尺度征象与特色。自 1997年，NOAA的热带预报中央（TPC）和飓风研究部（HRD）开始履行热带气旋（TCs）及其环境的业务景象监测任务（operational synopticsurveillance missions），利用飞机下投探空仪和 AXBT。数据剖析表明，热带气旋的环境与内核 SST差与其后续的强度变革有一定的关系，内核SST变革的减小对应 TCs的增强。2003年开始，中国台湾省多单位互助利用 Altra喷气有人驾驶飞机对靠近台湾地区的台风进行监测，紧张开展下投探空（6小时航程投 20个探空仪）。自2013 年，台湾的近岛台风监测下投不雅观测（DOTSTAR—http://typhoon.as.ntu.edu.tw/Activity.htm）由研究阶段转入气候局的常规业务，喷鼻香港地区也加入了这一业务事情。
眇小型无人飞机用于气候探测已有 20 多年的历史。中国较早地运用眇小型无人飞机开展近海台风的不雅观测试验。2000—2005年，中国台湾省学者利用澳大利亚研制的Aerosonde（眇小型无人机探空仪）开展了台风不雅观测试验，Lin等较详细地先容了该型无人探空仪穿越台风“龙王”的翱翔情形和一些资料剖析结果，显示眇小型无人机自主探空仪可以实现等高度水平和台风眼内垂直翱翔探测，得到风、气压、温度和湿度等实地不雅观测资料。
近十年来，美国军用无人机环球鹰（global hark）也加入到（海洋）气候不雅观测行列中来。该型无人机续航韶光长达 30 h，翱翔高度高达 20 km，有效载荷大，可以搭载多种大气原位不雅观测和遥感仪器，进行长航程的机动气候不雅观测。美国 NOAA和航空航天局（NASA）互助，已利用环球鹰无人机对多个飓风进行了不雅观测，一次翱翔可以下投80只探空仪。
技能比较
广阔大洋上的气候和水文不雅观测站点非常稀少，由于大洋上可以建立气候和水文不雅观测站的岛屿不多。海洋气候不雅观测资料在前辈国家紧张由卫星遥感、商船气候报告和非业务性飞机不雅观测供应，但比起陆地台站网所供应的资料，无论在质量还是数量上都有极大差距，不能知足科研和业务须要。表 1列出当前采取的紧张海洋气候不雅观测技能，简要比较了它们的上风和不敷。
表 1 海洋气候不雅观测技能比较
与国际前辈水平比较，中国周边广阔海洋上支配的气候和水文不雅观测站点稀少，近海支配的浮标也不多，少量商船供应不连续、分散的气候海况报告。因本钱大、坚持用度较高以及没有外洋不雅观测基地，中国还没有大气海洋环境不雅观测研究的专用飞机平台。中远海短缺气候探空站网，少有对流层大气廓线（尤其是台风中）的立体剖面不雅观测资料。海洋-气候-生态等海上监测网络规模较小，缺少对赤道辐合带（ITCZ）、太平洋暖池、El Nino及海上季风（爆发）等征象的实时有效的监测，而这些征象或过程对中国的景象和气候变革有重大的影响。
海洋气候不雅观测技能发展趋势
为办理大洋上大气和海洋不雅观测资料不敷的问题，国际上有两个发展趋势。一是提高卫星遥感能力，发射多颗携带新型遥感器的卫星（如 EOS 系列卫星），运用多波段和主被动结合等技能改进气候和海洋卫星的遥感能力，同时发展卫星资料同化技能与模式。二是针对重点区域和特定景象海洋征象或科学研究目标，开展加强不雅观测，例如 TOGA-COARE科学试验中利用多艘科考船、多架次飞机和浮标系统组网不雅观测；由于该科学试验促进了 El Nino的研究与预测，使得热带不雅观测阵列（TAO）的锚定浮标得以支配和长期运行。
为了扩大环球和区域海洋气候与环境不雅观测的时空覆盖度，须要多国多机构的多不雅观测网络之间的协作。自 2004年，中国科学院南海海洋学研究所组织履行了一系列年度开放航次，对南海海流和海气相互浸染进行不雅观测研究，同时与中国气候局广州热带海洋气候研究所及广东省气候局等单位互助建立了固定站进行长期不雅观测记录，还支配了锚定和漂流浮标等，从而经由 10来年的努力建立起一个覆盖南海的中尺度水文和海洋气候不雅观测网络。
美国 NOAA下属的集成海洋不雅观测系统（IOOS）是一个国家/区域海洋和沿海综合互助不雅观测研究系统，由 11个不雅观测子系统组成，不雅观测范围包括美国所有沿海地区、太平洋中部、北冰洋、加勒比海和五大湖地区，可以供应历史和实时的海洋与大气综合不雅观测数据。该集成不雅观测系统包括 21个物理海洋实时不雅观测系统，210个实时国家水位不雅观测网（个中 181个配备了气候传感器），103个国家浮标数据中央的浮标和 200 个国家海浪不雅观测站。2013年，IOOS委员会向美国国会提交的报告中指出，在广大的海洋上非常缺少海洋综合不雅观测站点，而现有的站点只能关注单一站点的海洋环境变革。为了改变这一现状，美国正在动员商船、渔船、海上能源开拓平台和休闲船只加入这一集成不雅观测系统，同时重点发展自主遥控船进行海洋综合不雅观测数据的采集。
随着卫星导航、无人驾驶、卫星通讯和传感器技能的发展，近 10年来科技职员已研发了基于无人水面艇（USV）和自动水下航行器（AUV）的海洋水文与气候不雅观测系统，具有自动支配、长航时、职员安全等优点。例如，美国 Liquid Robotics公司于 2007年研制的一款长航时自主航行的水面无人艇（wave glider），2009年始正式启用，它可以连续一年以上以走航或驻点办法在海上网络和传输海洋气候水文实时不雅观测数据，也可以预先支配在敏感海区为海洋、气候和环境磨难供应前期预警；经由 10年来的发展，目前该无人艇是天下上最成熟和最实用的自主航行水面无人艇。该无人艇下部网络波浪，能为航行供应动力，上部太阳能板网络太阳能，紧张为定位、探测传感器和通讯等子系统供应能源。以是，该型艇不须要船员和燃料，无任何排放，不用考虑职员出海的风险和对环境的影响，支配和掩护用度远远低于锚系浮标和有人不雅观测船。至今，实行各种任务的太阳能穿浪航行器超过 300 艘，累计航行韶光44200天，航程达到 150万海里（绕地球 69圈），单艘航行最大间隔为 9384海里，历时 14个月成功穿越了太平洋。该型太阳能滑浪无人艇经历了极度恶劣的海上环境，成功穿越了 17个飓风。2014年 07月 17日，该型无人艇遭遇太平洋近40年来最强台风“威马逊”并穿越台风眼，持续风速 64 m/s，最大风速 78 m/s，最大浪高 13.7m，并保持正常不雅观测，得到了实时海面气候要素及海温、海盐和海流数据。
太阳能滑浪无人艇的长航时和持续定点不雅观测能力，使其非常适宜在远海海疆进行不雅观测，并将高韶光分辨率的不雅观测数据通过通讯卫星实时传输回干系业务和科研单位；可以根据用户的需求配置浩瀚海洋、气候、环境监测和测绘仪器。Lenan 和 Melville（2014）利用穿浪器穿过热带气旋时的原位不雅观测资料，对气候要素的变革进行了剖析。2014 年 4 月，NOAA 与Liquid Robotics 公司签署了多项旨在提高海洋景象预报和海洋环境监测能力的互助协议。无人艇不雅观测数据与 NOAA的数据剖析和模式开拓相结合已经提高了 NOAA飓风预报、CO2 的不雅观测和北极海洋环境的监测能力。2016年 8月，Liquid Robotics 公司与日本相关部门互助在日本周边海疆支配 8艘无人船组成了日本海首个无人船气候海洋不雅观测网并投入业务运行，为日本相关部门供应实时气候和海洋监测数据。
美国 Saildrone 公司（http://saildrone.com/）与海洋科学技能基金会（MSTF）互助，研制成功一款自动驾驶双体帆船（SD1），可以完备利用风帆推进航行；该型船长约 5.8 m，均匀航速 3~5 节，最大速率达 14 节。到 2013年底，SD1在太平洋海上航行超过 100天，航程 5000多英里，经受了恶劣海况。该公司操持在将来用 SD1取代海洋中的锚系浮标，进行海洋气候的不雅观测。
近十年来，无人海洋航行器（UMV）的研发与运用在海内也发达开展起来，从无人水面艇到深海水下滑翔机的海上实验与运用被不断宣布。自 2014年始，中国科学院大气物理研究所一个团队研制了两款半潜式海洋气候不雅观测专用无人艇。半潜式无人艇艇身大部分处于水线之下，平台上部安装气候传感器和通讯导航天线等部件，其特点之一是航行时较为稳定，有利于水面的气候不雅观测（尤其是水平风的丈量），另一个特点是抗风浪能力强，不会倾覆。一款由全太阳能供电运行，白天按预设航线自主航行并充电，晚上处于漂浮状态，但仍连续不雅观测并发送数据；该太阳能艇均匀航速达到 3节，设计最大航时大于 180天，已安装自动气候站、波浪仪和海温海盐传感器等，经由多次海上试验，最长航行5天，取得了连续的多要素不雅观测数据。另一款采取柴油发电机供应动力和电力，均匀航速可达到 7节，设计航时大于 30天，除了安装自动气候站和多层海温、海盐传感器外，还创新性地加装了气候火箭探空设备，能够装载 24（长）或 48（小）枚探空火箭，探测高度 1.2~8 km。2次渤海海上成功试验表明，该型艇可成为海上自主支配与回收的流动自动气候站和探空站。近期，两款无人艇气候不雅观测系统将进行大于 3个月的长航时海上不雅观测试验与示范运用。
总之，利用新型海洋穿浪器无人驾驶平台的海洋气候水文探测技能是当前的紧张发展趋势，为国际上各大海洋不雅观测组织和操持所关注，以是，在 2017年，海洋学和海洋气候学联合技能委员会折衷并建立了海洋穿浪器网站（www.OceanGliders.org），以更好地网络、处理和利用环球穿浪器获取的资料。
海洋气候不雅观测技能发展展望
从海洋气候不雅观测技能综述与当前发展趋势剖析可以看出：（1）海上尤其是远海的气候不雅观测还存在很大的韶光和空间空缺区；（2）强风浪条件下海-气交流、海洋次表层、海洋大气边界层和垂直探空不雅观测方面，还缺少有效而又经济的技能手段或平台；（3）海上无人驾驶不雅观测平台及搭载的传感器有待更多试验与验证，其航行韶光和速率都有待提高，协同组网综合不雅观测技能尚不成熟，须要参考 Argo制订相应的技能标准、不雅观测规范和资料格式等。
2017 年 10 月，JCOMM 发布了下一个 10 年远景白皮书，个中第一个要实现的关键计策目标便是：致力于发展目的导向、集成和技能前辈的海洋不雅观测系统，以支持环球快速增加的景象、景象和海洋做事。JCOMM下属的不雅观测折衷组（OCG）卖力制订 5年事情操持，折衷确定不雅观测需求、不雅观测系统履行、资料管理与集成以及标准化和实现。
为了快速、有序和节约地培植好中国的海洋气候综合不雅观测系统，除了加强多部门多机构的折衷互助，积极参与国际互助与资料共享外，还须要采取系统工程的思想开展培植，加强顶层设计，识别出海洋气候、景象和环境业务与研究所需的不雅观测参量及其哀求；须要增加支持力度，鼓励产学研用结合，研发与验证新型海洋气候不雅观测技能，包括基于无人船的自主航行支配的气候水文不雅观测系统以及快速机动的气候探测无人机系统；构建覆盖环球海洋的多不雅观测平台与多不雅观测网络相互补充协作的新型高智能化的气候环境不雅观测体系，为“数字海洋、聪慧海洋”培植供应更加丰富的信息。（编辑 徐丽娇）
基金项目：国家自然科学基金重大科研仪器研制项目（41627808）
参考文献（略）
本文作者：陈洪滨，李军，马舒庆，胡树贞
作者简介：陈洪滨，中国科学院大气物理研究，中层大气和环球环境探测重点实验室，研究员，研究方向为大气物理学和大气探测与遥感；李军（共同第一作者），中国科学院大气物理研究，中层大气和环球环境探测重点实验室，高等工程师，研究方向为大气物理学与大气环境。
注：本文揭橥于《科技导报》2019 年第6期，敬请关注。
